Characterization of TiO2/Cu2O thin film photovoltaic cells

Abstract

Fotovoltaik hücreler, güneş ışığını kullanarak elektrik enerjisi üretirler. Güneş hücreleri senelerdir biliniyor olmalarına rağmen, son zamanlarda artan enerji ihtiyacıyla birlikte daha sık gündeme gelmeye başlamışlardır. Günümüzde en sık kullanılan güneş hücreleri, silikon güneş hücreleridir. Üretim maliyetlerini düşürmek ve daha geniş alanlarda uygulanabilirliği arttırmak amacıyla yenilikçi malzemelerin belirlenmesi gereklidir. Bu anlamda, Cu2O, iyi absorplayıcı bir malzeme olma ve ucuz bir hammadde olma özellikleri ile güneş pilleri üretimi için öne çıkan bir malzemedir. TiO2 ise geniş bant aralığı ile bilinen bir yarı iletkendir. Cu2O ve TiO2 biraraya getirildiğinde verimli güneş hücreleri üretimi için umut verici bir p-n eklemi elde edilir. Bu tezde, TiO2/Cu2O ince film fotovoltaik hücre karakterizasyonu çalışılmıştır. Karakterizasyon, ince filmlerin geçirimlilik, absorplama ve bant aralıkları gibi optik özellikleri ve ışık altındaki davranışlarını kapsamaktadır. İnce film üretimi için lazer biriktirme yöntemi kullanılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde, farklı sıcaklık, basınç ve transparan iletken tabaklar kullanılarak TiO2 anataz kristalini elde etmek amaçlanmıştır. 0,4 mbar oksijen basıncı altında, 350°C, 450°C ve 550°C sıcaklıklarda FTO alt tabakası kullanılarak, TiO2 ince filmleri üretilmiştir. XRD sonuçları, üretim sonrası filmlerin amorf olduğunu gösterdiğinden, örnekler 600°C ve 650°C'de ısıl işleme tabi tutulmuştur. 600°C'de tavlama sonrası anataz elde edilirken, 650°C'de tavlama sonrası anataz-rutil faz dönüşümü görülmüştür. Bant aralığı değerlerinde tavlama ile azalma görülmüştür. Bant aralığı değerleri sırasıyla, 3,45-3,29-3,15 eV'dir. 500°C sıcaklıkta, 0,05 mbar ve 0,2 mbar oksijen basıncı altında ITO alt tabakalarına TiO2 ince filmleri üretilmiştir. XRD sonuçları, üretim sonrası filmlerde anataz-rutil karışımı ve anataz fazının elde edildiğini göstermiştir. Bant aralığı değerleri bu basınçlarda sırasıyla, 3,28 eV ve 3,33 eV'dir. Çalışmanın ikinci bölümü, Cu2O'nun üretim sırasındaki kısmi oksijen basıncıyla etkilendiğini göstermektedir. Sadece 0,2 mbar Ar atmosferinde, 2x10-4mbar ve 2x10-2 mbar oksijen kısmi basınçları altında üretim yapılmıştır. Film yapısının, artan kısmi oksijen basıncıyla, Cu2O'ten CuO'e değiştiği görülmüştür. Bant boşluğu değerleri, farklı basınçlar altında üretilen örnekler için sırasıyla, 2,58 eV, 2,58 eV ve 2,07 eV olarak tahmin edilmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümü, ideal üretim koşulları ayrı ayrı belirlenen tabakaların, tam fotovoltaik hücreye uygulanmasını içermektedir. Tam fotovoltaik hücre yapısı, anataz ve Cu2O fazlarını içeren tabakalardan oluşmaktadır. Fotovoltaik hücrenin elektriksel özelliklerini saptamak için bir aydınlatma düzeneği kurulmuştur. Düzeneğin kurulum özellikleri ve hücrelerin ölçüm sonuçları, sonuçlar bölümünde tartışılmıştır.